基于Labview的声音信息采集与处理

实验四实验四 基于基于 LabVIEWLabVIEW 的声音数据采集的声音数据采集 一 背景知识一 背景知识 在虚拟仪器系统中 信号的输入环节一般采用数据采集卡实现 商用的 数据采集卡具有完整的数据采集电路和计算机借口电路 但一般比较昂贵 计算机自带声卡是一个优秀的数据采集系统 它具有 A D 和 D A 转换功能 不仅价格低廉 而且兼容性好 性能稳定 通用性强 软件特别是驱动程序 升级方便 如被测对象的频率在音频范围内 同时对采样频率要求不是太高 则可考虑利用声卡构建一个数据采集系统 1 从数据采集的角度看声卡从数据采集的角度看声卡 1 1 声卡的作用声卡的作用 从数据采集的角度来看 声卡是一种音频范围内的数据采集卡 是计算 机与外部的模拟量环境联系的重要途径 声卡的主要功能包括录制与播放 编辑和处理 MIDI 接口三个部分 1 2 声卡的硬件结构声卡的硬件结构 图 1 是一个声卡的硬件结构示意图 一般声卡有 4 5 个对外接口 图 1 声卡的硬件结构示意图 声卡一般有 Line In 和 Mic In 两个信号输入 其中 Line In 为双通道输入 Mic In 仅作为单通道输入 后者可以接入较弱信号 幅值大约为 0 02 0 2V 声音传感器 采用通用的麦克风 信号可通过这个插孔连接到声卡 若由 Mic In 输入 由于有前置放大器 容易引入噪声且会导致信号过负荷 故推 荐使用 Line In 其噪声干扰小且动态特性良好 可接入幅值约不超过 1 5V 的信号 另外 输出接口有 2 个 分别是 Wave Out 和 SPK Out Wave Out 或 Line Out 给出的信号没有经过放大 需要外接功率放大器 例如可以接到 有源音箱 SPK Out 给出的信号是通过功率放大的信号 可以直接接到喇叭 上 这些接口可以用来作为双通道信号发生器的输出 1 3 声卡的工作原理声卡的工作原理 声音的本质是一种波 表现为振幅 频率 相位等物理量的连续性变化 声卡作为语音信号与计算机的通用接口 其主要功能就是将所获取的模拟音 频信号转换为数字信号 经过 DSP 音效芯片的处理 将该数字信号转换为模 拟信号输出 输入时 麦克风或线路输入 Line In 获取的音频信号通过 A D 转换器转换成数字信号 送到计算机进行播放 录音等各种处理 输出 时 计算机通过总线将数字化的声音信号以 PCM 脉冲编码调制 方式送 到 D A 转换器 变成模拟的音频信号 进而通过功率放大器或线路输出 Line Out 送到音箱等设备转换为声波 1 4 声卡的配置及硬件连接声卡的配置及硬件连接 使用声卡采集数据之前 首先要检查 Line In 和 Mic In 的设置 如图 2 打开 音量控制 面板 在 选项 的下拉菜单中选择 属性 得到如 图 3 的对话框 在此对话框上选择 录音 并配置列表中的选项即可 可 以通过控制线路输入的音量来调节输入的信号的幅度 图 2 音量控制面板 图 3 音量控制面板属性更改及录音控制面板 声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰 若输 入信号电平高于声卡所规定的最大输入电平 则应该在声卡输入插孔和被测 信号之间配置一个衰减器 将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平 一般采用两种连接线 a 一条一头是 3 5mm 的插孔 另一头是鳄鱼夹的连接 线 b 一条双头为 3 5mm 插孔的音频连接线 我们也可以使用坏的立体耳 机做一个双通道的输入线 剪去耳机 保留线和插头即可 2 声卡的主要技术参数声卡的主要技术参数 2 1 采样位数采样位数 采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度 这个数值越大 解析度就 越高 录制和回放的声音就越真实 我们首先要知道 电脑中的声音文件是 用数字 0 和 1 来表示的 所以在电脑上录音的本质就是把模拟声音信号转换 成数字信号 反之 在播放时则是把数字信号还原成模拟声音信号输出 声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进 制位数 声卡的位客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程 度 8 位代表 2 的 8 次方 256 16 位则代表 2 的 16 次方 64 比 3 10 较一下 一段相同的音乐信息 16 位声卡能把它分为 64个精度单位进 3 10 行处理 而 8 位声卡只能处理 256 个精度单位 造成了较大的信号损失 最 终的采样效果自然是无法相提并论的 位数越高 在定域内能表示的声波振 幅的数目越多 记录的音质也就越高 2 2 采样频率采样频率 每秒钟采集声音样本的数量 采集频率越高 记录的声音波形就越准确 保真度就越高 但采样数据量相应变大 要求的存储空间也越多 目前 声 卡的最高采样频率是 44 1KHz 有些能达 96KHz 一般将采样频率设为 4 挡 分别是 44 1KHz 22 05KHz 11 025KHz 8KHz 2 3 缓冲区缓冲区 与一般数据采集卡不同 声卡面临的 D A 和 A D 任务通常是连续的 为了在一个简洁的结构下较好地完成某个任务 声卡缓冲区的设计有其独到 之处 为了节省 CPU 资源 计算机的 CPU 采用了缓冲区的工作方式 在这 种工作方式下 声卡的 A D D A 都是对某一缓冲区进行操作 一般声卡使 用的缓冲区长度的默认值是 8192 字节 也可以设置成 8192 字节或其整数倍 大小的缓冲区 这样可以较好地保证声卡与 CPU 的协调工作 声卡一般只 对 20Hz 20KHz 的音频信号有较好的响应 这个频率响应范围已经满足了音 频信号测量的要求 2 4 基准电压基准电压 声卡不提供基准电压 因此无论是 A D 还是 D A 在使用时 都需要用 户参照基准电压进行标定 目前一般的声卡最高采样频率可达 96KHz 采样位数可达 13 位甚至 32 位 声道数为 2 即立体声双声道 可同时采集两路信号 每路输入信号的 最高频率可达 22 05KHz 输出 16 为的数字音频信号 而 16 位数字系统的信 噪比可达 96dB 3 LabVIEW 中有关声卡的控件介绍中有关声卡的控件介绍 利用声卡作为声音信号的 DAQ 卡 可以方便快捷地穿件一个采集声音 信号的 VI 与声音信号相关的函数节点位于程序框图下 函数 选版下 编 程 函数选版的 图形与声音 函数子选版的 声音 函数选版的各子选版 如图 4 所示 图 4 LabVIEW 中声卡控件 下面主要介绍 声音 输入 控件选板中相关控件的作用 配置声音输入 配置声音输入设备 声卡 参数 用于获取数据 并且将数据传送至缓冲区 启动声音输入采集 开始从设备上采集数据 只有停止声音输入 采集已经被调用时 才需要使用该 VIs 声音输入清零 停止声音采集 清除缓冲区 返回到任务的默认 状态 并且释放与任务有关的资源 配置声音输出 用于配置声音输出设备的参数 使用 写入声音 输出 VI 将声音写入设备 写入声音输出 将数据写入声音输出设备 如要连续写入 必须 使用配置声音输出 VI 配置设备 必须手动选择所需多态实例 声音输出清零 将任务返回到默认的未配置状态 并清空与任务 相关的资源 任务变为无效 此外 还有众多的声音文件的打开和关闭等函数节点 在此不一一介绍 读者可参考 LabVIEW 帮助窗口进行了解 另外在程序框图下 Express 下 输入 下的 声音采集 及 输出 下的 播放波形 也是与声音信号相关的函数节点 如图 5 所示 图 5 LabVIEW 中 Express 下的声卡控件 4 应用程序举例应用程序举例 4 1 声音的基本采集声音的基本采集 利用声卡采集声音信号 其程序的基本实现过程如图 6 所示 图 6 声卡采集程序流程图 4 1 1 VIs 声音采集声音采集 本案例通过采集由 Line In 输入的声音信号 练习声音采集的过程 操作步骤操作步骤 1 执行 开始 程序 National Instruments LabVIEW8 5 命令 进入 LabVIEW8 5 的启动界面 2 在启动界面下 执行 文件 新建 VI 菜单命令 创建一个新的 VI 切换到前面板设计窗口下 移动光标到前面板设计区 打开 空间 新式 图形显示控件 控件选板 选择一个 波形图 控件 放 置到前面板设计区 编辑其标签为 声音信号波形 并调整它的大小 如图 7 所示 图 7 波形图标签编辑 3 切换到程序框图设计窗口下 打开 函数 编程 图形与声音 声音 输入 函数选板 在程序框图设计区放置一个 配置声音 输入 节点 一个 启动声音输入采集 节点 一个 读取声音输入 节点 一个 停止声音输入采集 节点 一个 声音输入清零 节点 如图 8 所示 图 8 声音输入控件 4 移动光标到各节点上 可以在 即时帮助 窗口中看到各节点的端口及 解释 如 配置声音输入 节点 如图 9 所示 图 9 配置声音输入 节点 5 分别移动光标到 配置声音输入 节点的 设备 ID 声音格式 采 样模式 的输入端口上 单击鼠标右键 从弹出右键快捷菜单中 执行 创建 输入控件 菜单命令 通过端口创建相应的输入节点 如图 10 所示 图 10 配置声音输入 节点设置 6 移动光标到 声音输入清零 节点的 错误输出 端口上 单击鼠标右 键 从弹出的右键快捷菜单中执行 创建 显示控件 菜单命令 创 建相应的显示节点 如图 11 所示 图 11 声音输入清零 节点设置 7 打开 函数 编程 结构 函数选板 选择 While 循环 节点 放置到程序框图设计区 在 While 循环 的循环条件端口创建一个输 入控件 移动光标到 While 循环 的循环条件节点的输入端 单击鼠 标右键 从弹出的右键快捷菜单中执行 创建 输入控件 菜单命令 创建相应的输入节点 并按图 12 所示 完成程序框图的设计 图 12 程序框图的设计 8 切换设计界面到前面板 可以看到与程序框图设计区节点相对应的控件 对象 调整它们的大小和位置 美化界面 9 单击工具栏上程序运行按钮 并对着传声器输入语音或一段音乐 即可 在波形图空间中查看声音信号的波形 其中的一个运行界面如图 13 所示 图 13 程序运行界面 二 实验内容二 实验内容 1 基于 LabVIEW 用声卡采集声音信号 并显示出来 计算并显示声音信号的 幅度谱 2 对声音信号添加频率为 20KHz 幅度为 0 0